Transcript
Bahan Bakar dan bahan kimia industry
Dalam 50-100 tahun ke depan beberapa pasokan bahan bakar fosil , terutama minyak , cenderung
menjadi habis . Akibatnya, ada kebutuhan mendesak untuk mengembangkan sumber energi
alternatif . Sebagian besar persyaratan akan dipenuhi dari sumber panas bumi , nuklir , matahari , air
dan angin . Namun, generasi bahan bakar biologis cenderung menjadi semakin penting , terutama
karena dapat memberikan bahan bakar baik cair dan gas . Yang penting , bahan bakar ini diproduksi dari
sumber daya terbarukan , terutama tanaman biomassa , dalam bentuk tanaman yang dibudidayakan
energi , vegetasi alami , dan limbah pertanian , domestik dan industri .
Kedua produk bahan bakar mikroba utama saat ini berasal dari sumber daya ini metana dan etanol ,
tetapi ini bukan satu-satunya bahan bakar yang dapat dibentuk . lain contoh cair dan gas termasuk
hidrogen , propana , metanol dan butanol , listrik juga dapat dihasilkan oleh sistem mikrobiologi . Banyak
senyawa kimia penting lainnya kini paling ekonomis yang dihasilkan oleh fermentasi mikroba dan proses
biotransformasi . Mayoritas adalah metabolit primer yang meliputi asam organik , asam amino , pelarut
industri dan berbagai biopolimer . Banyak dari produk mikroba digunakan sebagai bahan baku kimia dan
bahan fungsional dalam berbagai produk industri dan makanan .
alkana
Metana digunakan untuk bahan bakar domestik dan industri . Saat ini, pasokan sebagian besar berasal
dari ladang gas dan minyak atau gasifikasi batubara .Akibatnya, produksi metana melalui fermentasi
menarik hanya dalam situasi lokal skala kecil terbatas. Namun, mode ini produksi dapat menjadi
semakin penting kemudian di abad ke-21 , ketika pasokan dari sumber-sumber non - terbarukan mulai
berkurang. Produksi metana oleh mikroorganisme adalah proses yang sangat kompleks, yang
melibatkan campuran mikroorganisme anaerobik ditemukan secara alami di rawa-rawa , organik
sedimen dan di perut ( rumen ) dari hewan ruminansia . Produksi mikroba saat metana untuk
pembakaran mungkin melalui pencernaan anaerobik agri-limbah budaya , industri dan perkotaan ( lihat
Bab 15 ) .
Limbah ini sebagian besar adalah tanaman biomassa ( bahan lignoselulosa ) yang memiliki biaya tinggi
koleksi . berpotensi menarik , tapi mahal , modus skala besarproduksi adalah melalui penimbunan ( lihat
Bab 15 ) , dengan ketentuan bahwa produksi gas jangka panjang yang stabil dapat
dikembangkan . Sebaliknya , fermentor biogas menggunakan teknologi rendah dalam produksi lokal
skala kecil metana . Mereka sering menggunakan kotoran hewan dan sangat berharga di lokasi di mana
bahan bakar lain tidak tersedia . Biogas yang dihasilkan terutama terdiri dari 50-80 % metana dan 15-45
% CO , bersama dengan beberapa jejak gas. Populasi mikroba campuran yang terkait dengan 2
generasi metana sangat fleksibel sehubungan dengan berbagai substrat yang mereka dapat
memanfaatkan . Produksi metana dari bahan organik melibatkan tiga spesifik
fase . Pertama , sekelompok mikroorganisme menghidrolisis polimer organik , termasuk lemak , protein
dan polisakarida , untuk monomer larut masing-masing
Senyawa ini kemudian dimetabolisme menjadi asam organik oleh organisme Acidogenic
anaerobik . Pada tahap akhir , asam organik dikonversi ke alkana dan karbon dioksida (Gambar
10.1 ) . Bakteri metanogen menghasilkan metana dari asetat , yang merupakan produk utama . Namun,
metana memiliki menghasilkan energi lebih rendah darialkana rantai panjang , etana dan propana
( Tabel 10.1 ) , yang berasal dari propionat dan butirat , masing-masing (Gambar 10.1 ) . Jumlah Biasanya
, hanya kecil
dua asam organik ini diproduksi selama asidogenesa , tetapi jumlah yang dihasilkan tergantung pada
kondisi tertentu . Oleh karena itu, ada potensi untukmanipulasi masa depan fermentasi tersebut untuk
menghasilkan proporsi yang lebih besar dari bahan bakar yang lebih menarik etana dan propana .
butanol
Aseton , butanol , asam butirat dan isopropanol , bersama dengan asam organik lainnya dan alkohol ,
dapat diperoleh dengan fermentasi clostridial dari berbagai bahan baku , termasuk pati , molase dan
cellulosicmaterials dihidrolisis . Jumlah relatif dari masing-masing produk fermentasi tergantung pada
spesies bakteri dan strain tertentu yang digunakan , dan lingkungan conditionsof fermentasi . Ada tiga
jenis fermentasi utama :1 aseton - butanol ( Clostridium acetobutylicum ) , produk tambahan :
asam butirat , asam asetat , acetoin , etanol , CO2 dan H , 2 butanol - isopropanol ( Clostridium
butylicum ) , produk tambahan : asam butirat , asam asetat , CO2 dan
H , dan 3 butyric acid -acetic acid ( Clostridium butyricum ) , produk tambahan : CO2 dan H2 .
Anggota genus Clostridium adalah Gram - positif 2 batang dengan flagella peritrichous dan sesuai sangat
motil . Mereka dicirikan oleh kemampuan mereka untuk membentuk spora tahan panas , metabolisme
sangat fermentasi dan tanggapan mereka terhadap oksigen . Semuanya anaerobik , tetapi berkisar dari
anaerob obligat untuk aerotolerant spesies . Biasanya , mereka tidak mengandung derivatif haem ,
seperti sitokrom dan katalase . Namun, beberapa spesies dapat menghasilkan sitokrom jika disertakan
dengan prekursor yang sesuai . Kebanyakan mesophiles , meskipun beberapa termofilik
spesies diketahui , misalnya C. thermoaceticum . Mereka tumbuh dengan baik pada pH netral dan basa ,
tetapi terhambat dalam kondisi asam dan sangat bervariasi dalam kisaran
dari substrat bahwa mereka dapat memanfaatkan . Fermentasi aseton - butanol memiliki sejarah
panjang sebagai proses fermentasi industri sukses . Itu Weizmann di Inggris , pada awal abad ke-20 ,
yang melakukan banyak penelitian dasar ke produksi aseton , butanol dan etanol oleh C. aceto -
butylicum . Ini sangat berharga selama Perang Dunia I , khususnya untuk produksi aseton , yang
dibutuhkan dalam pembuatan bahan peledak . Aseton secara khusus digunakan sebagai agen
gelatinizing untuk nitroselulosa dalam produksi mesiu . Proses Weizmann juga menghasilkan riboflavin
( vitamin B2 ) sebagai produk sampingan .
Setelah Perang Dunia I , butanol menjadi produk utama kepentingan . Itu digunakan secara luas sebagai
bahan kimia bahan baku dalam produksi lak , rayon ,plasticizers , pelapis , deterjen , cairan rem dan
butadiena untuk pembuatan karet sintetis . Butanol juga digunakan sebagai pelarut untuk lemak , lilin ,
resin , pernis dan lak , dan sebagai ekstraktan berharga dan pelarut dalam industri makanan . Produksi
tahunan fermentationderived butanol lebih dari 20 000 ton pada tahun 1945 , tapi di dunia barat proses
mulai menurun akhir 1940-an . Hal ini disebabkan perubahan dalam pasokan bahan baku fermentasi
( molase , gula tebu , dll) dan peningkatan ketersediaan bahan baku petrokimia murah untuk sintesis
kimia . Butanol kini sebagian besar dibuat dari bahan baku berbasis minyak bumi . Di Amerika Serikat ,
misalnya , produksi saat ini disintesis secara kimia butanol lebih dari 500 000 ton / tahun , dengan
pertumbuhan tahunan sebesar 3-4 % . Namun demikian , fermentasi butanol masih beroperasi di
negara-negara tertentu . Di bekas negara Uni Soviet beberapa proses didasarkan pada molase bit ,
sedangkan fermentasi menggunakan tetes tebu berlanjut sampai relatif baru-baru ini di Afrika Selatan ,
dan China masih mempertahankan beberapa pabrik fermentationbased . Masa depan untuk berbasis
fermentasi produksi terlihat cukup cerah , terutama karena konsumsi di seluruh dunia butanol telah
meningkat selama beberapa tahun terakhir . Ini memberikan kesempatan bagi pendahuluan
teknologi proses fermentasi baru dan lebih efisien , terutama karena pasokan petrokimia
dwindles . Selain peran yang ada sebagai bahan baku pelarut dan kimia , butanol memiliki beberapa sifat
yang menguntungkan untuk penggunaan motor bakar , baik sendiri atau bila dicampur dengan bensin
( Tabel 10.2 ) .Butanol memiliki oktan - meningkatkan sifat yang baik , panas yang relatif tinggi
pembakaran dan tekanan uap yang lebih rendah dibandingkan metanol dan etanol . Karakteristik ini
membuat butanol bahkan lebih cair bahan bakar extender dari etanol , yang saat ini digunakan dalam
perumusan gasohol . Selain itu, butanol memiliki miscibility rendah dengan air , tetapi miscibility tinggi
dengan baik diesel dan bensin . Karena panas yang tinggi dari pembakaran , solusi butanol mengandung
sebanyak 20 % ( v / v ) air memiliki nilai yang sama seperti pembakaran etanol anhidrat . Hal ini secara
tidak langsung dapat mengurangi nitrogen oksida ( NO ) emisi dengan menurunkan suhu operasi mesin
pembakaran internal . Sebagai aditif bahan bakar , alkohol seperti butanol juga memiliki potensi untuk
mengurangi emisi karbon monoksida .
Proses produksi Butanol
Di masa lalu, ekonomis produksi butanol telah biasanya diperlukan volume fermentor minimal 1000
m3 . The fermentor tidak diaduk , sebagaievolusi gas disediakan pencampuran yang
memadai . Fermentasi ini dioperasikan sebagai proses batch, sering menggunakan 5-7 % ( b / v ) pati
atau molasses sebagai karbon substrat . Baru-baru ini , dengan meningkatnya permintaan untuk butanol
, proses maju berdasarkan jagung , produk sampingan pengolahan jagung dan limbah selulosa lainnya
telah diusulkan , khususnya di Amerika Serikat ( lihat di bawah ) .Dalam proses konvensional , sebelum
fermentasi , maka media dan fermentor yang disterilkan dan dibersihkan dengan CO fermentor tersebut
kemudian diinokulasi dengan relative rendahnya tingkat inokulum , 0,03 % ( v / v ) C.
acetobutylicum . Selama 18-24 jam pertama pH jatuh dari tingkat awal 5,8-6,0 pH 5.2 , karena produksi 2
dari butirat dan asam asetat selama pertumbuhan yang cepat inifase . Selama mengikuti 20-24 h pH naik
kembali ke pH5.8 - 6.0 , asam ini dimetabolisme untuk membentuk pelarut netral aseton , butanol dan
etanol .mereka
konsentrasi total mencapai sekitar 2 % ( v / v ) dalam rasio 6 : 3 : 1 untuk aseton , butanol dan etanol ,
masing-masing. Keseluruhan hasil hingga 37 % ( b / b ) , didasarkan pada awal
karbohidrat , dapat dicapai . Produk pemulihan secara tradisional melibatkan distilasi fraksional . Gas
yang dihasilkan selama fermentasi , terutama CO , Dapat dipulihkan untuk dijual sebagai produk
sampingan dan residu distilasi dapat dijual sebagai pakan ternak . Sebagian produksi butanol di Cina dan
beberapa negara lain mungkin masih melalui proses fermentasi yang sama , tapi terakhir industri
fermentasi aseton - butanol - etanol dioperasikan di dunia barat ditutup pada awal 1990-an . Hal ini
dilakukan oleh National Chemical Products di Germiston , Afrika Selatan , menggunakan C.
acetobutylicum P262 . Ini melibatkan fermentasi batch dengan molase sebagai substrat , yang
berlangsung selama 40-60 jam dan menghasilkan produk rata-rata konsentrasi 15-18 g / L. Namun,
kelayakan ekonomi dari fermentasi ini sekarang menuntut yield pelarut dari 22-28 g / L dalam waktu ini ,
jika tidak mereka tidak bias bersaing dengan proses kimia . Konsentrasi ekonomi kompetitif yang tepat
tergantung pada harga minyak yang berlaku . Metode Batch tradisional telah menderita beberapa
masalah , termasuk kontaminasi oleh lactobacilli , serangan bakteriofag , inhibisi produk, biaya energi
yang tinggi untuk distilasi dan fakta bahwa campuran produk fermentasi diperoleh . Proses yang lebih
efisien sekarang sedang dikembangkan dengan peningkatan strain yang dominan menghasilkan satu
produk fermentasi dan menggunakan substrat yang lebih murah , termasuk limbah rumah tangga dan
pertanian . Mereka mungkin melibatkan temperatureprogrammed , multistage , kultur suspensi terus
menerus atau sel dimasukkan ke dalam reaktor fluidizedbed bergerak . Proses fermentasi tersebut
cenderung memiliki sistem pemulihan produk terintegrasi , seperti pervaporasi . Metode ini khusus
melibatkan selektif membran pemisahan komponen pelarut ke dalam ruang tekanan rendah ( misalnya
menggunakan membran poli dimethylsilane ) diikuti oleh kondensasi produk . Ini prosedur ditingkatkan
memiliki potensi untuk memproduksi konsentrasi pelarut total yang lebih besar dari 30 g / L dan
memungkinkan pemulihan simultan pelarut dari kaldu selama fermentasi . Ini menghilangkan inhibisi
produk dan memungkinkan pemanfaatan lengkap dari substrat karbon pada tingkat yang relatif tinggi
selama fermentasi kontinyu . etanol industri Sebagian besar wilayah di dunia telah diproduksi secara
tradisional minuman beralkohol dari substrat tersedia secara lokal ( lihat Bab 12 ) . Fermentasi alkohol
serupa sekarang digunakan di beberapa negara untuk memproduksi bahan bakar grade atau
bahan baku kimia etanol . Produksi dunia tahunan etanol lebih dari 30 miliar liter , sekitar 70 % dari yang
dihasilkan oleh fermentasi , sisanya yang sebagian besar diproduksi oleh hidrasi katalitik dari etilen .
Hampir 12 % dari etanol fermentasi minuman alkohol , 20 % adalah untuk berbagai keperluan industri
dan 68 % sisanya adalah bahan bakar etanol. Etanol merupakan bahan bakar yang menarik karena dapat
digunakan sendiri atau dicampur dengan bahan bakar cair lainnya , misalnya ' gasohol ' , campuran 10-
22 % ( v / v ) etanol dengan bensin ( lihat Tabel 10.2 ) . Pada 1970-an , Brazil dan beberapa negara lain
melakukan produksi skala penuh etanol fromindigenous sumber daya terbarukan biomassa untuk
mengimbangi biaya pertumbuhan impor minyak . Etanol diproduksi
dengan fermentasi sukrosa , berasal dari tebu , menggunakan Saccharomyces
cerevisiae . Brazil sekarang bertanggung jawab untuk lebih dari 46 % dari produksi dunia tahunan ,
beberapa 14,5 miliar liter etanol . Namun, ini tidak cukup untuk bersaing dengan meningkatnya
permintaan untuk bahan bakar . Kegagalan untuk mengembangkan proses produksi mereka telah
menghasilkan kebutuhan untuk mengimpor etanol dari Amerika Serikat dan
negara penghasil lainnya . Terlepas dari sukrosa , fermentasi konvensional lainnya
substrat untuk fermentasi etanol meliputi gula sederhana yang berasal dari tanaman dan limbah susu .
Ini memerlukan relatif sedikit pengolahan ( Gambar 10.2 dan 10.3 ) . Namun, penggunaan akar dan umbi
pati ( singkong , kentang , dll )atau butiran zat tepung ( jagung , gandum, beras , dll ) menuntut operasi
pengolahan energi memakan untuk mencapai hidrolisis . Pengolahan yang lebih besar diperlukan
sebelum pemanfaatan bahan lignoselulosa tanaman ( lihat hal . 149 ). Biokonversi pati jagung Di
Amerika Utara , proses penggilingan basah atau kering telah dikembangkan untuk pengolahan jagung
untuk minyak jagung terpisah dari pati . Hal ini juga menghasilkan produk sampingan yang dapat
digunakan untuk pakan ternak . Diekstrak pati terkena gelatinisasi dan sakarifikasi , dan gula yang
dihasilkan kemudian dapat mengalami fermentasi alkohol . Teknologi awalnya digunakan sebagian besar
didasarkan pada yang sebelumnya dikembangkan untuk produksi minuman beralkohol , tapi sekarang
proses yang jauh lebih efisien . Sakarifikasi enzimatik digunakan untuk mengkonversi pati menjadi gula
difermentasi menggunakan berbagai amilase termostabil , termasuk glucoamylases . Fermentasi gula
yang dihasilkan , sebagian besar glukosa , dilakukan oleh strain yang dipilih dari S. cerevisiae pada 32-38
° C dan pH 4,5-5,0 . Fermentasi mungkin batch atau proses yang terus menerus , sering dengan
beberapa bentuk daur ulang sel , yang mengurangi baik waktu fermentasi dan jumlah substrat
' Terbuang ' di konversi ke biomassa yang tidak diinginkan . Operasi di bawah vakum , memfasilitasi
penghapusan terus menerus etanol untuk mengurangi penghambatan etanol , dan bahkan imobilisasi
sel telah diuji coba ( Tabel 10.3 )
Ini fermentasi alkohol menghasilkan ' bir ' yang mengandung sekitar 10 % ( v / v ) etanol dari mana ragi
biasanya dipisahkan sebelum distilasi . Etanol pulih maka bisa mengalami dehidrasi ( lihat Bab 7 ,
Distilasi ) . Biaya pemulihan etanol ini sering hingga 50 % dari pengeluaran total proses . Proses produk
sampingan termasuk metanol , gliserol dan alkohol yang lebih tinggi , seperti amil , butil dan propil
alkohol . Pendekatan alternatif kemungkinan pemulihan etanol meliputi penggunaan proses fermentasi
ekstraktif terus menerus menggunakan non -volatile , pelarut tidak beracun , seperti oleil alkohol , yang
memiliki afinitas tinggi untuk etanol . Stategy ini berguna dalam mengatasi hambatan - end produk .
Pelarut yang digunakan secara terus menerus diperkenalkan ke fermentor dan naik melalui media untuk
membentuk lapisan yang terus dihapus . Perjalanan melalui hasil centrifuge dalam pemisahan pelarut
ethanolladen dari media dan sel-sel , yang dikembalikan untuk fermentor . Etanol dapat dipulihkan oleh
lampu kilat penguapan dan pelarut non -volatile digunakan kembali . Althoug h S. cerevisiae masih
banyak digunakan untuk fermentasi alkohol dari substrat gula sederhana, ada organisme lain dengan
potensi komersial ( Tabel 10.4 ) . Ini termasuk spesies dari genus bakteri Zymomonas , seperti Z. mobilis ,
yang Gramnegative anaerob fakultatif yang biasanya fermentasi hanya glukosa , fruktosa atau sukrosa .
Mereka mampu menghasilkan etanol lebih besar dari yang S. cerevisiae , tetapi tidak sebagai
toleran etanol . Di masa depan , rute alternatif cenderung melibatkan organisme hasil rekayasa genetika
yang memiliki kemampuan untuk memanfaatkan lebih luas sumber karbon dan memiliki sifat fermentasi
yang lebih baik . Sebagai contoh, Escherichia coli , yang biasanya menghasilkan hanya sejumlah relatif
kecil etanol , telah berubah dengan plasmid yang mengkode alkohol dehidrogenase
dan piruvat dekarboksilase dari Z. mobilis . Transforman tersebut menghasilkan etanol di bawah kedua
kondisi aerobik dan anaerobik . Biokonversi bahan lignoselulosa seperti tanaman energi ( sereal , tebu
dan bit , dll ) , limbah tanaman lignoselulosa ( serbuk gergaji , serpihan kayu , jerami , ampas tebu ,
limbah kertas , dll ) tidak menggunakan makanan langsung . Mereka adalah sumber daya terbarukan
belum sepenuhnya dieksploitasi . Miliaran ton bahan-bahan selulosa
saat ini sia-sia setiap tahun , yang dapat diubah menjadi energi kimia atau produk fermentasi yang
berguna lainnya . Lignoselulosa terdiri dari polimer berikut . Lignin ( 10-35 % , b / b ) , polimer tiga
fenolik alkohol ( p - coumaryl , sinapyl dan alkohol coniferyl ) yang mengelupasi selulosa . Bahan ini tidak
bisa didegradasi oleh mikroorganisme dalam kondisi anaerob , tetapi dapat digunakan sebagai sumber
vanili , katekol , dimethylsulphide ( DMS ) dan dimetil sulfoksida ( DMSO ) melalui proses kimia . Selulosa
( 15-55 % , b / b ) , homopolimer linear dari b - 1 unit glukosa ,4 -linked . Setelah dihidrolisis , glukosa
yang dihasilkan mudah difermentasi oleh banyak mikroorganisme , tetapi hanya sedikit dapat langsung
memanfaatkan polimer asli . Hemiselulosa ( 25-85 % , b / b ) , kelas heteropolymers mengandung
berbagai heksosa ( d - glukosa , dgalactose dan d - mannose ) dan pentosa ( l - arabinosa
dan d - xylose ) . Xylose adalah kedua gula yang paling melimpah di alam setelah d - glukosa dan
mungkin merupakan hingga 25 % dari berat kering beberapa pohon berkayu , tetapi hanya beberapa
mikroorganisme fermentasi pentosa menjadi etanol . Yang penting , produksi etanol dari lignoselulosa
yang ekonomis hanya jika kedua pentosa dan heksosa yang difermentasi . Beberapa mikroorganisme
dapat memanfaatkan lignoselulosa secara langsung dan mereka yang melakukan, seperti beberapa
spesies Clostridium , menghasilkan sedikit atau tidak ada etanol . Oleh karena itu , fermentasi mikroba
langsung cellulosics menjadi etanol adalah kesempatan yang jauh . Sebuah pendekatan yang lebih
mungkin untuk membuktikan sukses dalam jangka pendek melibatkan beberapa langkah . Pertama ,
pretreatment bahan lignoselulosa diperlukan sebelum sakarifikasi hemiselulosa dan selulosa
komponen . Gula yang dihasilkan dari bahan kimia dan / atau hidrolisis enzimatik kemudian dapat
difermentasi untuk menghasilkan etanol , yang dapat dipisahkan dari fase air dengan distilasi .
Pretreatment dan sakarifikasi harus dilakukan dengan cara yang memaksimalkan hasil biokonversi
berikutnya dan meminimalkan pembentukan berpotensi hambat senyawa , khususnya furfural dan
fenolik larut . Kebanyakan bahan lignoselulosa memerlukan pretreatment untuk membuat selulosa dan
hemiselulosa
lebih setuju untuk hidrolisis asam atau enzim . Persyaratan Pretreatment bervariasi dengan bahan baku
dan sering substansial kurang untuk bahan olahan seperti kertas dan kartu . Metode yang digunakan
termasuk ukuran mekanik pengurangan oleh penggilingan, pulp kimia , hidrolisis asam , perlakuan
alkali , autohydrolysis , ekstraksi pelarut , mengukus dan ledakan uap ( dekompresi eksplosif setelah
pengobatan uap bertekanan tinggi di 4000kPa selama 5-10 menit ) . Berbagai kombinasi dari proses
pretreatment mungkin digunakan tergantung pada sumber bahan lignoselulosa (Gambar 10.3 ) .
Beberapa mencapai sakarifikasi parsial , tapi perawatan lebih lanjut dengan asam atau enzim biasanya
diperlukan . Hidrolisis asam umumnya dilakukan dengan asam encer (misalnya 0,5-5 % ( v / v ) asam
sulfat ) di bawah tekanan untuk mencapai suhu yang tinggi dari 100-240 ° C. Perawatan ini relatif
murah , tetapi juga menghasilkan sejumlah besar produk sampingan degradasi
dan senyawa penghambat yang tidak diinginkan . Hidrolisis asam kuat sering menggunakan asam klorida
pekat pada suhu kamar , yang memberikan hasil gula tertinggi dari setiap proses hidrolisis asam .
namun, operasi tersebut sangat korosif dan pemulihan asam hampir lengkap adalah penting untuk
membuat proses ekonomis . Hidrolisis asam dari campuran selulosa dan
hemiselulosa sulit dikendalikan . Hemiselulosa lebih mudah dihidrolisis daripada selulosa dan
menghasilkan gula pada awal proses . Gula ini dapat mengalami kerusakan lebih lanjut untuk senyawa
penghambat , misalnya furfural . Akibatnya , pengkondisian hidrolisat mungkin diperlukan untuk
menghilangkan senyawa ini , sebelum fermentasi . Gula yang dihasilkan oleh hidrolisis terutama
glukosa , selobiosa ( disakarida yang terdiri dari - b 1 , unit glukosa 4linked ) dan xylose . Fermentasi
xilosa bermasalah. S. cerevisiae , yang saat ini bertanggung jawab untuk 95 % dari semua etanol yang
dihasilkan oleh fermentasi , tidak memfermentasi monosakarida ini . organisme tersebut
do itu ( lihat Tabel 10.4 ) , tidak etanol toleran dan memberikan hasil etanol miskin . Ada beberapa cara
yang mungkin dengan mana S.cerevisiae dapat digunakan dalam fermentasi alkohol dari xylose (Gambar
10.4 ) . Isomerisasi dari aldo - gula , d - xylose , ke ketoform d - xylulose , yang S. cerevisiae
dapat memfermentasi . Hal ini dapat dicapai dengan melakukan fermentasi ragi
dengan adanya suatu xylose isomerase bakteri . Rekayasa genetika dari S. cerevisiae , untuk
mengekspresikan gen baik untuk ( a) xylose isomerase bakteri , misalnya dari spesies Actinoplanes ,
Bacillus , dll; atau ( b ) xylose reduktase dan xylitol dehydrogenase dari ragi fermentasi pentosa ,
misalnya spesies Candida , Pichia , dll Namun, ada kemungkinan masalah dengan ketidakseimbangan
kofaktor dengan pilihan ini . Z. mobilis juga telah direkayasa secara genetik untuk memfermentasi xilosa
dan mungkin memainkan peran masa depan dalam produksi etanol dari biomassa tanaman , yang
mungkin E. coli rekayasa genetika disebutkan sebelumnya , dan termofilik tertentu
mikroorganisme . Hidrogen Hidrogen merupakan bahan bakar yang sangat menarik karena isinya tinggi
energi ( 118,7 kJ / g ) , yaitu sekitar empat kali lipat lebih besar dari etanol dan lebih dari dua kali lipat
lebih tinggi dari metana . Teknologi untuk penggunaannya sudah dikembangkan dan produk
pembakaran adalah water.A berbagai mikroorganisme menghasilkan hidrogen sebagai bagian dari
mekanisme untuk membuang elektron yang dihasilkan selama reaksi metabolik :
ion hidronium ion hidrogen terhidrasi ( ) Generasi hidrogen menggunakan mikroorganisme , atau sistem
sel - bebas berbasis komponen mikroba , masih sangat banyak dalam masa pertumbuhan . Namun, ada
tiga rute yang mungkin production.Biophotolysis air melibatkan pemisahan air dengan menggunakan
energi cahaya dan tidak memerlukan substrat eksogen . Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan
sistem fotosintesis , seperti kloroplas ganggang , yang dapat dianggap sebagai sel surya . In vivo , energi
yang dihasilkan biasanya digunakan untuk membentuk nikotinamid adenin dinukleotida fosfat ( NADPH )
. Namun, dengan adanya sebuah hydrogenase bakteri dan pembawa elektron yang tepat , molekul
hidrogen dapat dihasilkan (Gambar 10.5 ) .Fotoreduksi , dekomposisi tergantung cahaya senyawa
organik , dilakukan oleh bakteri fotosintetik . Ini adalah proses anaerobik yang membutuhkan cahaya
dan substrat organik eksogen , yang dihambat oleh oksigen , dinitrogen dan amonium ion .
Pembentukan hidrogen dikaitkan dengan nitrogenase yang dapat mengurangi proton serta dinitrogen .
Anggota Chlorobiaceae , Chromatiaceae dan Rhodospirillaceae melaksanakan
fotoreduksi . Mereka bakteri dengan paling potensial mungkin bakteri non - sulfur ungu , seperti spesies
Rhodospirillium , yang photometabolize asam organik . Fermentasi senyawa organik oleh banyak bakteri
menghasilkan sejumlah kecil hidrogen . Sebagai contoh, beberapa enterobacteria menghasilkan
hidrogen dan CO dengan membelah format, dan Clostridia itu dihasilkan dari penurunan ferredoxin .
Secara teoritis , 4 mol hidrogen dapat dihasilkan dari setiap mol glukosa , yang mewakili hanya
menghasilkan energi 33 % . Namun, sebagian besar organisme menghasilkan lebih sedikit . Akibatnya,
ada sedikit kemungkinan untuk produksi komersial hidrogen melalui rute ini dalam waktu dekat .
Peran mikroorganisme dalam pembangkit listrik mungkin melibatkan gas dan cair bahan bakar mikroba
yang dihasilkan , seperti etanol atau metana , yang digunakan untuk menggerakkan generator mekanik
konvensional . Atau , generasi langsung dapat digunakan , tapi ini masih dalam tahap awal
pengembangan . Kemungkinan rute ini adalah rute melalui mikroorganisme utuh atau enzim mikroba
dimasukkan dalam sel bahan bakar (Gambar 10.6 ) . Sistem enzim berbasis lebih disukai , karena transfer
elektron antara sel-sel utuh dan elektroda umumnya kurang efisien . Dalam beberapa kasus , enzim
amobil dapat digunakan . Kemungkinan calon dehydrogenases mikroba digabungkan dengan sistem
elektroda dan catalysing interkonversi hidrogen dan listrik . Juga, ada kemungkinan bahwa phototrophic
mikroorganisme , atau sistem photoactive mereka , langsung bisa mengkonversi sinar matahari menjadi
listrik . Misalnya, menggunakan membran buatan menggabungkan sistem berbasis bacteriorhodopsin
dari archaeans , egHalobacterium halobium . Sistem seperti memfasilitasi translokasi tergantung cahaya
proton dan transmembran gradien elektrokimia yang dihasilkan dibuat dapat digunakan untuk
menghasilkan listrik . asam amino Beberapa asam amino yang diproduksi dalam jumlah komersial
melalui proses fermentasi langsung menggunakan strain mikroba overproducing , atau dengan
biotransformasi mikroba . Mereka sebagian besar bekerja sebagai makanan atau pakan ternak
suplemen dan senyawa rasa. Namun, beberapa asam amino juga memiliki kegunaan dalam obat-obatan
dan kosmetik , dan industri kimia untuk pembuatan polimer . l - Glutamic acid Dari semua proses
produksi asam amino , yang asam lglutamic mungkin adalah yang paling penting dalam hal
kuantitas . Kegunaan utamanya adalah sebagai penambah rasa , monosodium glutamat l -
( MSG ) , yang dapat meningkatkan dan mengintensifkan rasa makanan tanpa menambahkan rasa
signifikan sendiri . MSG secara alami ada dalam makanan tertentu dan ditemukan menjadi komponen '
aktif ' dari rasa - enhancing tradisional saham rumput laut yang digunakan dalam makanan Timur Jauh .
Senyawa ini adalah pertama diisolasi dari rumput laut , Laminaria japonica , pada tahun 1908 . Produksi
komersial di Jepang segera diikuti , menggunakan ekstrak protein kedelai dan gluten gandum . Pada
tahun 1959 pemerintah Food and Drug AS ( FDA ) mengklasifikasikan MSG sebagai ' umumnya dianggap
sebagai aman ' ( GRAS ) karena sejarah penggunaan yang aman , dan Organisasi Pangan dan Pertanian
Bersama ( FAO ) / Organisasi Kesehatan Dunia ( WHO ) Komite Pakar Aditif Makanan ( 1970) memberi
asupan harian yang dapat diterima sebagai berat 0-120 mg / kg tubuh . Sejak awal 1960-an , produksi
klasik metode menggunakan sumber tanaman sebagian besar telah digantikan oleh proses fermentasi ,
yang sekarang bertanggung jawab untuk produksi tahunan lebih dari 400 000 ton . Harga MSG dalam
perdagangan internasional adalah rata-rata dari US $ 1.20/kg dan terpisah dari penggunaan yang luas
dalam makanan oriental , itu akan ditambahkan ke berbagai produk makanan , khususnya sup , gravies ,
saus dan makanan ringan . Penghasil asam glutamat mikroorganisme termasuk spesies dari genus
Arthrobacter terkait erat , Brevibacterium , Corynebacterium , Microbacterium dan Micrococcus . Ini
adalah Gram - positif , biotinrequiring , bakteri non - motil yang memiliki aktivitas dehidrogenase
glutamat intens .Spesies Brevibacterium dan Corynebacterium digunakan untuk sebagian fermentasi
industri. The wild type Corynebacterium glutamicum , misalnya , menunjukkan inhibisi umpan balik
ketika konsentrasi asam glutamat seluler meningkat menjadi 5 % pada basis berat kering . Namun, strain
produksi dikembangkan dengan menggunakan mutagenesis dan seleksi program keduanya mutan
peraturan dan auksotrofik . Strain ini telah dikembangkan dengan konsentrasi steady -state asam amino
sitoplasma tinggi . Mereka mengumpulkan sekitar 30 % - l glutamat asam dan menghasilkan 1 mol
glutamat per 1,4 mol glukosa , dan yang lebih penting tahan fag . Baru-baru ini , teknologi DNA
rekombinan telah digunakan untuk meningkatkan aktivitas enzim biosintesis tertentu dengan
transformasi dengan plasmid multicopy bantalan gen struktural untuk enzim tersebut . Strategi
keseluruhan untuk mencapai kelebihan produksi asam amino meliputi :
1 meningkatkan aktivitas enzim anabolik ;
2 manipulasi peraturan untuk menghapus mekanisme kontrol umpan balik ;
3 memblokir jalur yang mengarah ke produk sampingan yang tidak diinginkan ;
4 memblokir jalur yang mengakibatkan degradasi produk target , dan
5 membatasi kemampuan untuk memproses prekursor langsung dari asam - l glutamat ,
asam yaitu Oxoglutaric , untuk nextintermediate asam trikarboksilat
( TCA ) siklus , suksinil koenzim A ( CoA ) , yaitu penggunaan mutan kurang
dehidrogenase asam Oxoglutaric .
Selama fase pertumbuhan mutan ini menghasilkan intermediet penting
dari isocitrate melalui siklus glioksilat (Gambar 10.7 ) . Selain itu, bakteri ini biasanya tidak mengeluarkan
glutamat , berbagai perawatan yang digunakan untuk membuat sel-sel lebih permeabel dan bantuan
rilis amino
asam ke dalam media . Perawatan ini meliputi: pembatasan biotin , pembatasan biosintesis fosfolipid
dengan menambahkan asam lemak jenuh C16 - C selama fase pertumbuhan , dan penyertaan surfaktan
( misalnya Tween 40 ) dan penisilin di media produksi .
PRODUKSI INDUSTRI asam L-glutamat
Fermentor skala industri biasanya stainless steel reaktor tangki berpengaduk hingga 450 m . Ini adalah
proses batch, dioperasikan aerobik pada 30-37 ° C , temperatur tertentu tergantung pada
mikroorganisme yang digunakan .
Terlepas dari karbon dan nitrogen sumber , media fermentasi biasanya mengandung garam anorganik ,
menyediakan tingkat membatasi biotin magnesium , mangan , fosfat dan kalium , dan . Corynebacteria
yang bergizi
cerewet dan mungkin juga memerlukan vitamin lain , asam amino , purin dan pirimidin . Sumber karbon
yang disukai adalah karbohidrat , sebaiknya glukosa atau sukrosa . Tebu atau gula bit molasses dapat
digunakan , tetapi
menengah memerlukan modifikasi lebih lanjut sebagai tingkat biotin mereka cenderung terlalu tinggi .
Hal ini dapat diatasi dengan penambahan asam lemak jenuh , penisilin atau surfaktan yang
mempromosikan ekskresi . Sumber nitrogen ( garam amonium , urea atau amonia ) diumpankan secara
perlahan untuk mencegah penghambatan l - glutamat
produksi . PH Medium dipertahankan pada 7-8 dengan penambahan alkali , sebaliknya
pH semakin jatuh sebagai l - glutamat diekskresikan ke dalam medium . Akumulasi asam - l glutamat
tidak menjadi nyata sampai pertengahan fermentasi , yang biasanya berlangsung selama 35-40 jam dan
mencapai kadar asam lglutamic dalam kaldu dari 80 g / L.
Produk pemulihan melibatkan pemisahan sel dari medium kultur . Asam - l glutamat kemudian
mengkristal dari media dihabiskan dengan menurunkan pH titik isoelektrik atas pH 3,2 menggunakan
asam klorida . Kristal asam - l glutamat kemudian disaring dan dicuci . MSG dibuat dengan
menambahkan larutan natrium hidroksida dengan kristal - l glutamat asam diikuti dengan rekristalisasi .
L -Lysine
l - Lysine tidak disintesis oleh manusia dan mamalia lainnya . Ini asam amino ' esensial ' harus diperoleh
sebagai
bagian dari diet mereka . Namun, banyak sereal dan sayuran relatif rendah lisin . Akibatnya, produk
makanan dan pakan ternak berasal dari sumber-sumber ini sering dilengkapi dengan asam amino ini .
Dunia tahunan
produksi l - lisin yang diperlukan untuk memenuhi persyaratan ini sekarang lebih dari 380 000 ton . Lebih
dari 90 000 ton lisin ini sedang diproduksi oleh fermentasi dan biotransformasi metode mikroba
langsung .
Sisanya diproduksi oleh sintesis kimia .
Namun, rute ini memiliki kelemahan utama yang campuran d -the
dan l - isomer disintesis , tetapi hanya l - lisin bahwa tubuh memanfaatkan . Dengan demikian , resolusi
optik diperlukan setelah sintesis kimia , sedangkan
produksi mikroba memiliki keuntungan bahwa hanya lisomer terbentuk .
PRODUKSI INDUSTRI l - LISIN
Kontrol metabolik - l lisin produksi wild type C. glutamicum ditunjukkan pada Gambar . 10.8 . Langkah
kunci pertama dari jalur metabolisme ini , aspartat untuk aspartil fosfat , dikatalisis oleh aspartokinase ,
dikendalikan melalui umpan balik
penghambatan oleh dua produk akhir ini bercabang jalur , lisin dan treonin . Aktivitas dehidrogenase
homoserine juga tunduk pada umpan balik inhibisi oleh
treonin dan represi oleh metionin . Namun, dihydropicolinate
sintetase tidak dihambat oleh akumulasi lisin , yang tidak biasa untuk enzim pertama setelah titik cabang
jalur . Strain over- produksi dari C. glutamicum dipilih untuk produksi lisin memiliki cacat dalam
mekanisme kontrol umpan balik ini . Mereka tidak homoserine dehidrogenase
aktivitas dan dengan demikian auxotrophs homoserine . Auxotrophs ini mengkonversi semua aspartat
semialdehid untuk lisin , dan karena kurangnya sintesis treonin , tidak ada lagi kontrol umpan balik ( lihat
Gambar . 10,8 ) .
Namun, jumlah yang diukur dengan hati-hati dari treonin , metionin
dan isoleusin harus ditambahkan ke dalam media kultur untuk mengaktifkan bakteri auksotrofik ini
untuk tumbuh . Kebanyakan - l lisin fermentasi komersial dioperasikan sebagai proses batch dalam
reaktor tangki berpengaduk diangin-anginkan . tebu
molase adalah sumber karbon disukai, meskipun karbohidrat lainnya , asam asetat atau etanol dapat
digunakan , sering dilengkapi dengan kacang kedelai hidrolisat . Suhu dijaga pada 28 ° C dan pH
dipertahankan pada , atau
dekat , netralitas dengan memberi makan amonia atau urea , yang juga bertindak sebagai sumber
nitrogen . Pengendalian tingkat biotin adalah sangat penting, karena konsentrasi di bawah 30
mg / L hasil dalam akumulasi l - glutamat bukan l - lisin
(lihat produksi asam glutamat - l di atas ) . Namun, tetes tebu biasanya mengandung biotin yang cukup
untuk memenuhi kebutuhan ini .
Fase lag dipersingkat dengan menggunakan konsentrasi tinggi inokulum , biasanya sekitar 10 % ( v / v )
dari volume fermentasi . Produksi lisin dimulai pada fase eksponensial awal dan berlanjut sampai ke
fase diam. Fermentasi ini berlangsung sekitar 60 jam dan menghasilkan 40-45 g / L l - lisin dari
konsentrasi molase dari 200 g / L , yang mengandung 100 g / L sukrosa .
Pemulihan Lysine relatif sederhana . Setelah sel telah dihapus , media fermentasi diasamkan sampai pH
2,0 dengan asam klorida dan l - lisin diserap ke dalam kolom kation - pertukaran amonium
form. Sebuah larutan amonia ini kemudian digunakan untuk mengelusi l - lisin dari kolom . Eluat ini
reacidified dan produk akhirnya mengkristal sebagai l - lisin hidroklorida .
METODE BIOTRANSFORMASI ALTERNATIF UNTUK PRODUKSI ASAM AMINO
Produksi asam - amino l juga dapat dilakukan oleh hidrolisis enantioselektivitas prekursor rasemat .
Asam - l Glutamic , misalnya , dapat dihasilkan dari sintesis kimia dl - hydantoin 5 - propionat
asam . Proses ini menggunakan Bacillus brevis , yang menghasilkan hydantoinase diperlukan dan
memberikan imbal hasil 90 % (Gambar 10.9a ) .
l -Lysine juga dapat diproduksi melalui proses biotransformasi bets dari dla - aminocaprolactam , bahan
awal yang murah kimia berasal dari sikloheksana .
dla - Aminocaprolactam ditambahkan ke bejana reaksi pada konsentrasi 100 g / L , bersama dengan
Laurentii ragi Cryptococcus dan bakteri
Achromobacter obae . Hasilnya adalah konversi hampir lengkap dari substrat untuk l - lisin . Metode ini
memanfaatkan stereospesifisitas dari hidrolase ditemukan di C. Laurenti untuk mengkonversi l - isomer
dari substrat untuk l - lisin . Sisanya d - isomer dari - aminocaprolactam dibawa kembali ke jalur produksi
oleh racemase di A.obae (Gambar 10.9b ) . metode yang serupa
juga tersedia untuk sintesis d - asam amino , beberapa di antaranya penting prekursor rantai samping
untuk penisilin semisintetik dan sefalosporin , misalnya d - phydroxyphenylglycine .
asam organik
Asam asetat Lihat Bab 12 , produksi Cuka . Asam sitrat Asam sitrat banyak digunakan dalam industri
makanan untuk memberi rasa asam dan agen penyedap dalam minuman , permen dan makanan lain ,
dan dalam leavening sistem untuk
dipanggang . Sebagai konstituen makanan , penggunaannya tidak dibatasi karena memiliki status GRAS .
Asam organik ini juga memiliki banyak aplikasi non - makanan . Mereka termasuk peran dalam menjaga
logam dalam larutan untuk elektroplating , sebagai pembersihan dan ' pengawetan ' agen untuk logam ,
dan sebagai pengganti polifosfat dalam industri deterjen , bersama dengan beberapa penggunaan
farmasi .
Sampai asam sitrat 1920 terutama dibuat dari jus lemon , namun pada tahun 1923 Pfizer mulai
beroperasi proses berbasis fermentasi di Amerika Serikat . Organisme produksi adalah filamen jamur
Aspergillus niger , sebuah aerob obligat , yang ditumbuhkan dalam kultur permukaan pada media
sukrosa dan garam mineral . Hampir semua output di seluruh dunia kini diproduksi oleh fermentasi ,
yang terutama terletak di Eropa Barat , Amerika Serikat
dan China . Asam sitrat telah menjadi salah satu produk fermentasi utama dunia , dengan produksi
tahunan lebih dari 550 000 ton dan nilai mendekati US $ 800 juta . Permintaan untuk asam sitrat masih
meningkat ,
terutama untuk aplikasi minuman . Metode permukaan masih beroperasi , tetapi sejak akhir 1940-an ,
fermentasi terendam telah menjadi kepala sekolah
cara produksi . Banyak mikroorganisme , termasuk jamur berfilamen , ragi dan bakteri , dapat digunakan
untuk menghasilkan metabolit primer ini . Namun,
A. niger masih tetap sebagai produsen industri dominan .
Strain tertentu telah dikembangkan untuk berbagai jenis proses fermentasi , yang mampu menghasilkan
hasil yang tinggi dari asam sitrat , seringkali lebih dari 70 % dari hasil teoritis dari sumber karbon .
Asam Sitrat BIOSINTESIS
Jalur metabolisme yang terlibat dalam biosintesis asam sitrat adalah Embden - Meyerhof - Parnas
( EMP ) jalur dan siklus TCA . A.niger juga mengoperasikan
jalur pentosa fosfat , yang dapat bersaing dengan glikolisis untuk unit karbon . Tahap pertama
pembentukan asam sitrat melibatkan pemecahan heksosa untuk piruvat dalam glikolisis , diikuti oleh
dekarboksilasi untuk menghasilkan asetil CoA (Gambar 10.10 ) . Sangat penting, CO dilepaskan selama
reaksi ini tidak hilang , tetapi didaur ulang oleh karboksilase piruvat ( diproduksi secara konstitutif dalam
Aspergillus ) dalam pembentukan anaplerotic dari oksaloasetat ( anaplerotic lainnya
rute ke oxaloxacetate juga dioperasikan , lihat Bab 3 ) . biasanya ,
oksaloasetat akan sebagian besar dipasok melalui penyelesaian siklus TCA , yang memungkinkan
permulaan kembali siklus dengan kondensasi dengan
asetil KoA untuk membentuk sitrat , dikatalisis oleh sitrat sintase . Namun,
dalam rangka untuk mengumpulkan sitrat , metabolisme seterusnya nya ( kelanjutan dari siklus ) harus
diblokir . Hal ini dicapai dengan menghambat akonitase , enzim
catalysing langkah berikutnya dalam siklus TCA . Penghambatan dilakukan dengan penghapusan besi ,
penggerak akonitase . Akibatnya, selama akumulasi sitrat , siklus TCA sebagian besar tdk berlaku di luar
pembentukan sitrat ,
maka pentingnya rute anaplerotic pembentukan oksaloasetat .
Metode perbaikan regangan konvensional dan rekayasa genetika dari unsur-unsur utama dalam
metabolisme A. niger sedang digunakan dalam upaya untuk meningkatkan produksi asam sitrat .
Tujuannya adalah untuk meningkatkan fluks metabolik yang mengarah langsung ke pembentukan asam
sitrat dengan mengurangi fluks melalui cabang-cabang dari jalur ini , sehingga menghasilkan produk
sampingan yang lebih sedikit , terutama asam glukonat dan
asam oksalat . Pemanfaatan mutan kurang oksidase glukosa , dan akibatnya tidak dapat memproduksi
asam glukonat dari glukosa , adalah contoh dari pendekatan semacam itu . Atau , peningkatan langsung
fluks melalui utama
jalur dapat dicapai dengan kelebihan konstituen
enzim .
PROSES FERMENTASI DIGUNAKAN Asam Sitrat PRODUKSI
Permukaan dan solid- substrat fermentasi Metode ini menggunakan teknologi sederhana dan memiliki
biaya energi yang rendah , tetapi lebih padat karya . Metode permukaan cairan melibatkan
menempatkan media disterilkan , biasanya mengandung molase ditambah berbagai garam , menjadi
dangkal ( dalam 5-20 cm ) aluminium atau nampan stainless steel ditumpuk di ruang aseptik . Media
dirumuskan
dengan tingkat yang relatif rendah zat besi , jika hasil asam sitrat berkurang ( lihat di atas ) . Nampan
diinokulasi dengan menyemprotkan spora A. niger , baik suspensi spora atau spora kering . Jamur
kemudian berkembang pada
permukaan medium. Udara steril tumbang budaya ini , yang penting untuk mempertahankan kondisi
aerobik , kontrol suhu dan menurunkan tingkat CO . Medium pH secara bertahap jatuh ke bawah 2 , di
mana titik produksi asam sitrat dimulai . Pada 30 ° C , fermentasi membutuhkan waktu sekitar 8-12 hari
untuk menyelesaikan dan mencapai produktivitas sekitar 1,0 kg / m
per hari . Proses fermentasi Solid-state untuk produksi asam sitrat adalah operasi skala kecil . Setiap
tanaman menghasilkan hanya beberapa ratus ton per tahun , dan menggunakan medium padat uap -
disterilisasi dedak gandum atau limbah ubi jalar yang memiliki kadar air 70-80 % . Tumbuk ini diinokulasi
dengan spora A. niger dan kemudian menyebar di nampan atau lantai bersih untuk kedalaman 3-5 cm .
Sirkulasi udara membantu untuk mempertahankan suhu sekitar 28 ° C.
Proses ini berlangsung selama 5-8 hari , setelah itu mash dikumpulkan dan sitrat diekstrak dengan
menggunakan air panas . Berbagai residu pengolahan makanan padat sedang dievaluasi untuk
menentukan apakah mereka juga bisa berfungsi sebagai substrat lowcost untuk produksi asam sitrat .
Selain itu, perkembangan teknologi sedang dicari , seperti penggunaan reaktor packed bed . Percobaan
awal telah menghasilkan tingkat tinggi asam sitrat dengan rendahnya tingkat biomassa jamur , reaktor
ini menghambat pertumbuhan jamur dan mempromosikan konversi substrat yang lebih besar untuk
asam sitrat . Proses Terendam Lebih dari 80 % dari pasokan di seluruh dunia dari asam sitrat diproduksi
menggunakan fermentasi batch yang terendam dalam tangki diaduk kapasitas 40-200 m atau fermentor
airlift lebih besar dari kapasitas 200-900 m .
The fermentor yang tahan korosi , terbuat dari stainless steel , atau baja dilapisi dengan kaca khusus
atau plastik . Fermentasi ini sebagian besar menggunakan bit atau tetes tebu sebagai sumber karbon .
Tidak seperti metode permukaan , vegetatif
inokulum , daripada spora , biasanya digunakan . Akibatnya, organisme budaya diambil melalui
beberapa tahap propagasi untuk menghasilkan jumlah yang cukup inokulum . Awalnya, spora dari strain
produksi
dari A.niger diproduksi pada medium padat dan kemudian digunakan untuk menyuntik skala kecil
fermentasi terendam di mana pembentukan pelet jamur terjadi . Kuantitas pelet jamur stabil kemudian
dikembangkan untuk
inokulasi yang fermentor produksi . Struktur pelet ini memiliki pengaruh besar terhadap produktivitas.
Pelet kecil kurang dari 1 mm diameter ,
dengan pusat lembut dan permukaan yang halus lebih disukai . Ini sifat struktural dan fisiologi mereka
sangat tergantung pada komposisi media dan kondisi operasi . Pelet yang menghasilkan tingkat tinggi
sitrat
asam ditandai dengan pendek bercabang , hifa bulat . Kehadiran bahkan tingkat rendah beberapa logam
berat , terutama mangan , dapat merusak pembentukan pelet , sehingga hifa yang panjang dan tidak
bercabang .
Dengan demikian , perlu untuk pretreat semua bahan baku untuk mengurangi konsentrasi mangan di
bawah 0,02 mmol / L. Tingkat mangan rendah juga membatasi op -the
timbangkan dari jalur pentosa fosfat , yang tidak akan mengalihkan fluks jauh dari glikolisis dan
mengurangi produksi sitrat . Atau , ion tembaga dapat ditambahkan untuk menetralkan mangan ,
dengan mencegah penyerapan nya . Hasil asam sitrat juga ditingkatkan dengan merumuskan medium
dengan tingkat minimum dari besi. Hal ini akan mengurangi metabolisme dan seterusnya sitrat karena ,
seperti yang disebutkan
sebelumnya , akonitase memiliki persyaratan untuk besi . Selain itu, penambahan tembaga lebih lanjut
mengurangi aktivitas akonitase , karena bertindak sebagai antagonis besi , serta mangan . Dalam rangka
mempertahankan hasil asam sitrat yang baik , konsentrasi gula media harus setidaknya 140 g / L , yang
mempromosikan aktivitas kedua enzim glikolitik dan piruvat karboksilase . Hal ini juga penting untuk
membatasi
pertumbuhan melalui pembatasan nitrogen . Hal ini biasanya dilakukan dengan memberikan garam
amonium pada tingkat 0,1-0,4 g / L. Ion-ion amonium juga merangsang produksi asam sitrat dengan
menangkal efek penghambatan sitrat pada fosfofruktokinase , enzim kunci glikolisis . Fermentasi ini
sangat aerasi dan dijaga pada 30 ° C. Untuk tahap pertumbuhan awal , pH
dimulai pada 5-7 , tapi asam kemudian harus disimpan di bawah 2 , jika tidak oksalat dan glukonat
menumpuk dengan mengorbankan asam sitrat , pH rendah yaitu menghambat oksidase glukosa .
Keseluruhan hasil dari 0,7-0,9 g sitrat per gram glukosa dapat dicapai
dalam fermentasi ini terendam dengan produktivitas hingga 18,0 kg / m per hari . Volume yang lebih
kecil dari asam sitrat juga diproduksi menggunakan ragi seperti Candida guilliermondii dan Yarrowia
(sebelumnya Candida ) lipolytica . Ragi ini bebas dari masalah dengan ion logam , dan memberikan lebih
pendek dan
fermentasi lebih produktif daripada yang saat ini tersedia dengan A. niger .
Asam Sitrat RECOVERY
Pemulihan asam sitrat dimulai dengan penghapusan miselium jamur dari medium kultur . Selanjutnya
polishing filtrasi mungkin diperlukan untuk menghilangkan miselia sisa dan endapan oksalat . Solusi
diklarifikasi yang dihasilkan dipanaskan dan kapur ( CaO ) ditambahkan untuk membentuk endapan
kalsium sitrat . Ini dipisahkan dengan filtrasi dan diobati dengan asam sulfat untuk menghasilkan sitrat
asam dan endapan kalsium sulfat ( gipsum ) . Setelah filtrasi , larutan asam sitrat yang encer decolorized
dengan karbon aktif dan diuapkan untuk menghasilkan kristal asam sitrat . Kristal ini ditemukan oleh
sentrifugasi , kemudian dikeringkan dan dikemas . Metode pemulihan alternatif sedang dievaluasi dalam
rangka untuk menghindari penggunaan kapur dan asam sulfat termasuk pelarut
ekstraksi , ekstraksi ion -pair dan elektrodialisis .
asam glukonat
Kalsium glukonat dan glukonat besi yang widelyused sebagai agen terapi untuk mengobati pasien
dengan kalsium dan kekurangan zat besi . Asam bebas juga digunakan sebagai rasa asam ringan dalam
industri penyamakan . Lebih dari 50 000 ton
asam glukonat yang diproduksi setiap tahun dengan menggunakan A. niger tumbuh di fermentasi
terendam pada glukosa dan jagung minuman keras curam , di bawah kedua fosfat dan keterbatasan
nitrogen . Ini sangat fermentasi aerobik dilakukan
pada pH 6-7 dan 30 ° C. Mereka bertahan selama 20 jam dan mencapai hasil lebih dari 90 % .
Itaconic asam asam dikarboksilat ini digunakan dalam pembuatan perekat ,
produk kertas dan tekstil . Hal ini juga dimasukkan ke dalam plastik sebagai kopolimer dengan asam
akrilat , metil akrilat dan stirena (Gambar 10.11 ) . Itaconic asam diproduksi secara komersial oleh
budaya terendam Aspergillus
terreus atau A. itaconicus , sering menggunakan tetes tebu dan jagung minuman keras curam , dengan
hasil produk hingga 65 % . Fermentasi 3 hari harus sangat aerasi dan dioperasikan pada suhu yang relatif
tinggi 35-42 ° C. Itaconic asam terbentuk dalam cabang dari siklus TCA melalui dekarboksilasi cis -
aconitate (Gambar 10.12 ) , yang biasanya diikuti dengan oksidasi terhadap asam itatartaric .
Onward metabolisme asam itaconic harus dicegah dalam fermentasi komersial , jika yield berkurang .
Hal ini dicapai dengan merumuskan medium dengan tingkat tinggi ion kalsium , sehingga menghambat
itakonat
oksidase asam , yang mengkatalisis oksidasi asam itaconic asam itatartaric .
Asam laktat Asam laktat terutama digunakan dalam industri makanan , di mana 30000 ton yang
dimasukkan ke dalam makanan setiap tahun untuk bertindak sebagai pengawet , memberi rasa asam ,
atau dalam penyusunan pendingin adonan . Garamnya juga digunakan dalam industri lain , misalnya ,
laktat antimon digunakan sebagai mordan
dalam mewarnai dan natrium laktat memiliki aplikasi sebagai plasticizer dan inhibitor korosi . Asam
laktat diproduksi di 20000 - 100000L fermentasi anaerob
menggunakan Lactobacillus delbruckii atau homolactic Gambar lainnya . 10.11 Itaconic asam .
CH2C COOH CH2 COOH
bakteri L. bulgaricus seperti . Media biasanya mengandung sumber nitrogen yang kompleks dan
suplemen vitamin , bersama dengan sampai 12 % ( b / v ) sukrosa atau glukosa sebagai sumber karbon
dan energi . Atau , mungkin laktosa
digunakan , dalam bentuk whey permeat . Karbohidrat ini dimetabolisme menjadi piruvat melalui jalur
EMP , yang kemudian diubah menjadi l ( + ) laktat oleh l - laktat dehidrogenase ( lihat Bab 3 ) .
Fermentasi asam laktat
dioperasikan pada 45-60 ° C dengan pH 5-6 . Mereka bertahan selama 4-6 hari dan dapat mencapai hasil
lebih dari 90 % berdasarkan gula yang disediakan .
polyhydroxyalkanoates
Polyhydroxyalkanoates (Odha ) memiliki potensi yang cukup besar sebagai alternatif biodegradable
untuk petroleumderived plastik . Odha adalah poliester termoplastik homochiral linear diproduksi
sebagai cadangan energi intraseluler
oleh berbagai mikroorganisme . Biopolimer ini terakumulasi tubuh 0,2-0,7 mm diameter granular inklusi
sebagai berbeda dalam menanggapi keterbatasan nutrisi , terutama di pseudomonas . Yang paling
banyak ditemui
Odha adalah poli b - hidroksibutirat ( PHB ) dan asam poli laktat ( polyhydroxypropionate ) , terbentuk
dari monomer asam hidroksibutirat dan asam laktat , masing-masing. Odha diproduksi oleh jalur
metabolisme yang berbeda
yang terbagi menjadi dua tahap . Pertama adalah biosintesis monomer CoA hydroxyacyl , diikuti oleh
mereka head-to - ekor polimerisasi untuk membentuk rantai polimer , yang dapat melebihi 10 000 unit
panjang . Yang paling sepenuhnya ditandai jalur adalah bahwa untuk PHB biosintesis di Ralstonia
eutropha (sebelumnya Alcaligenes eutrophus ) . Hal ini melibatkan tiga enzim : thiolase mengkatalisis
kondensasi Claisen dari dua molekul asetil KoA untuk membentuk asetoasetil KoA , yang dikurangi
menjadi kiral menengah R - 3 - hydroxybutyryl CoA reduktase oleh seorang . Polimerisasi selanjutnya
dilakukan oleh sintase PHA ( polymerase ) . PHBS adalah yang paling berguna dari mikroba yang berasal
plastik . Ini polimer biokompatibel adalah sumber daya terbarukan yang dapat benar-benar dan cukup
cepat biodegradasi menjadi karbon dioksida dan air , sehingga
memberikan keuntungan tertentu atas konvensional berbasis minyak bumi
plastik . Ketika kopolimerisasi dengan polyhydroxyvalerate , sebagai PHBV ,
produk tersebut memiliki waktu degradasi lebih cepat dari polimer - homo .
PHBV diproduksi oleh Monsanto dengan nama dagang Biopol . Dalam banyak hal , PHB menyerupai
polypropylene , keduanya memiliki massa yang sama molekul , titik leleh , kristalinitas dan kekuatan
tarik , tapi PHB memiliki dampak
kekuatan polypropylene . Hambatan utama untuk digunakan secara luas adalah biaya yang lebih tinggi
dan fakta bahwa mereka mungkin menjadi rapuh dengan waktu . Saat ini , PHBS digunakan dalam
aplikasi biomedis dan kemasan , terutama untuk jahitan yang perlahan-lahan terdegradasi oleh enzim
tubuh , penyimpanan bahan makanan dan botol sampo . Derivatif asam polylactic juga telah digunakan
dalam
obat-obatan , sebagai template untuk pertumbuhan jaringan dan dalam plastik untuk penggantian
sendi .
R. eutropha digunakan untuk produksi komersial PHBS sebagai polimer dapat merupakan hingga 90 %
dari berat kering sel . Untuk mendapatkan hasil produk yang maksimal sehubungan dengan sumber
karbon , fermentasi industri memiliki fase pertumbuhan sebelum tahap pembentukan produk . Yang
terakhir ini beroperasi di bawah konsentrasi oksigen rendah dan terbatas dengan nitrogen , fosfat ,
magnesium sulfat atau . Saat ini , PHB perintah harga yang relatif tinggi sebesar US $ 15-30/kg .
Akibatnya , sarana produksi yang lebih murah
sedang dicari . Odha sekarang dapat disintesis oleh rekombinan
mikroorganisme , misalnya E. coli , yang mengandung gen yang mengkode enzim yang diperlukan untuk
biosintesis PHA . Rekombinan mikroba tersebut dapat menjadi
sumber ekonomi menarik PHA . Atau , transformasi tanaman yang lebih tinggi dengan gen ini bisa
menyediakan sarana yang lebih murah dari produksi PHA dalam jangka panjang . Kemungkinan host
transgenik meliputi Arabidopsis
thaliana ( thale cress ) , Brassica napus ( canola / perkosaan minyak biji ) atau Zea mays
( jagung ) .
alkohol polihidrat
Ragi menghasilkan beberapa alkohol polihidrat , termasuk gliserol , arabitol , erythritol , mannitol dan
xylitol . Xylitol adalah menjadi semakin digunakan sebagai pemanis rendah kalori dan sangat berguna
untuk pemanis produk makanan bagi penderita diabetes . Hal ini dapat dihasilkan oleh ragi fermentasi
pentosa , spesies Candida , Pachysolen tannophilus dan Pichia stipitis ( lihat hal . 147 , Industrial
produksi etanol ) . Gliserol memiliki banyak medis, makanan dan industri
aplikasi sebagai plasticizer , pelarut dan pemanis . Mungkin yang paling penting secara komersial adalah
perannya sebagai bahan baku untuk bahan peledak manufaktur . Produksi gliserol Mikroba pertama kali
dicatat oleh Louis Pasteur ,yang menemukan bahwa dalam anggur dan bir fermentasi , ragi membentuk
sekitar 2,5 g per 100 g gula difermentasi . Jadi , gliserol biasanya hanya produk fermentasi kecil dari
setiap ragi fermentasi alkohol .
Pada awal abad ke-20 , Neuburg menemukan bahwa akumulasi gliserol dapat ditingkatkan dengan
memperbaiki asetaldehida yang terbentuk selama proses fermentasi dengan menambahkan bisulfit . Hal
ini menekan pengurangan asetaldehida menjadi etanol oleh alkohol dehidrogenase , yang merupakan
langkah terakhir dalam jalur fermentasi alkohol ragi dan biasanya berfungsi untuk reoxidize NADH .
Akibatnya , ragi yang ' dipaksa ' untuk menumbuhkan NAD melalui rute alternatif , jika jalur EMP
berhenti . Rute alternatif untuk NADH oksidasi adalah melalui pengurangan dihidroksiaseton fosfat
( DAP ) , produk awal dari jalur EMP . DAP direduksi menjadi gliserol 3 - fosfat dan kemudian ke gliserol .
Akibatnya , sebuah ' mengarahkan ' proses fermentasi industri dikembangkan , dimana 4 % ( b / v )
sodium bisulfit yang dimasukkan ke dalam medium fermentasi terdiri dari 10 % ( b / v ) sukrosa , 0,5 %
( b / v ) amonium nitrat dan 0,075 % ( b / v ) kalium fosfat . Media diinokulasi dengan 1 % ( v / v ) S.
cerevisiae dan dipertahankan pada 30 ° C selama 48-60 jam untuk memberikan hasil 20-25 % ( v / v )
gliserol . Metode fermentasi ini digunakan secara ekstensif sampai dengan pertengahan 1940-an ,
namun saat ini sintesis kimia biasanya disukai .
Mikroba exopolysaccharides Berbagai macam mikroorganisme menghasilkan exopolysaccharides dalam
bentuk kapsul diskrit atau sebagai larut slimes terletak di luar sel . Ini adalah baik homopolimer atau
heteropolymers dan memiliki beberapa fungsi . Mereka dapat melindungi mikroorganisme terhadap
kekeringan , membantu dalam penghindaran dari sistem kekebalan tubuh untuk patogen hewan ,
bertindak sebagai penghalang terhadap virus dan kimia agen , bantuan lampiran ke permukaan , dan
menyediakan cadangan karbon dan energi . Potensi komersial perkiraan mereka sekarang sedang
direalisasikan. Mikroba exopolysaccharides mulai menggantikan tinggi tradisional tanaman dan alga
polisakarida ( pati , alginat , karagenan , gum arabic , belalang permen kacang , permen guar , dll )
sebagai pengental dan stabilisator dalam berbagai aplikasi makanan dan non - makanan . Hal ini
disebabkan mereka meningkat ketersediaan , bervariasi dan novel properti , kemudahan produksi
dan efektivitas biaya . Kisaran dinding sel dan exopolysaccharidesmeliputi berikut ini .
Alginat , yang merupakan heteropolymers linear asam lguluronic dan d - manuronat asam , beberapa
unit i yang mengandung gugus O - asetil . Polimer ini terbentuk oleh spesies Pseudomonas dan
Azotobacter vinlandii .
Mereka dapat digunakan sebagai ukuran agen di industri kertas dan tekstil , atau sebagai stabilisator
pangan . Selulosa, b - 1 , 4 glukan , dibentuk sebagai pellicle dengan strain dari bakteri asam asetat
Acetobacter xylinum . Bahan ini dapat diproduksi dalam permukaan atau budaya terendam dan memiliki
beberapa kegunaan potensial. Ini termasuk aplikasi sebagai bahan makanan , kulit buatan sebagai
sementara setelah operasi atau luka bakar pada kulit , dan membran akustik . 3 Kitin , polimer residu N -
asetilglukosamin , dan derivatif deacylated nya , chitosan , merupakan komponen dinding sel jamur .
Persiapan Komersial ini polimer saat ini dari limbah kerang , tapi di masa depan mereka mungkin lebih
mudah dimurnikan dari dinding sel jamur . Polimer ini dapat dibuat menjadi serat untuk membuat
perban luka dan juga memiliki kegunaan sebagai agen chelating , mengklarifikasi agen dan pengawet
makanan . 4 Curdlan , b - 1 , 3 glukan dari spesies Alcaligenes dan Agrobacterium . Polisakarida ini
mampu membentuk gel ireversibel sulit ketika dipanaskan dalam suspensi berair pada rentang pH 2,0-
9,5 macam . Curdlan diproduksi di Jepang di mana ia digunakan dalam berbagai olahan makanan .
Namun, saat ini tidak diterima sebagai bahan makanan baik Amerika Serikat atau Uni Eropa . Dekstran
adalah glukan pendek bercabang yang mengandung a1 , 6 glikosidik dan - 1 , 3 poin cabang . mereka
diproduksi oleh beberapa mikroorganisme , termasuk Leuconostoc mesenteroides , dan digunakan
sebagai suplemen plasma darah dan adsorban .
Gum Gellan ( E418 ) adalah heteropolymer mengandung glukosa , rhamnosa dan asam glukuronat dalam
rasio 2 : 1 : 1 , yang diproduksi oleh Sphingomonas paucimobilis (sebelumnya Pseudomonas elodea )
dalam fermentasi aerobik . ini polisakarida mampu membentuk gel yang menunjukkan sifat yang
berbeda tergantung pada apakah itu dalam bentuk tersubstitusi atau tidak tersubstitusi . Bentuk-bentuk
polisakarida asli gel elastis , sedangkan yang deacylated oleh alkali pengobatan menghasilkan gel rapuh
dan memiliki aplikasi yang terpisah . Gellan banyak digunakan sebagai pengganti polimer alga agar dan
carrageenan , terutama dalam aplikasi makanan . Glycans dan phosphomannans keduanya komponen
dinding sel ragi . Glycans dari S. cerevisiae memiliki beberapa kegunaan dalam makanan, farmasi dan
kosmetik . Aplikasi makanan tertentu termasuk peran sebagai pengental , replacers lemak dan suplemen
pakan ternak . Glycan ragi juga dapat digunakan dalam kosmetik perbaikan kulit , perawatan penurunan
kolesterol , penyembuhan luka , adjuvant vaksin , dan sebagai imunostimulan pada hewan dan
kesehatan manusia . Phosphomannans adalah gusi larut dalam air yang dapat diperoleh dari Hansenula
dan Pichia . Mereka menunjukkan beberapa sifat menarik dan tahan terhadap serangan mikroba .
Pullulan , linear a - 1 , 4 glukan dengan - 1 , 6 hubungan setiap unit glukosa ketiga atau keempat ,
diproduksi oleh ragi - seperti jamur Aurobasidium pullulans . ini materi memiliki sifat pembentuk film
dan perekat yang digunakan dalam produksi film -wrap untuk makanan . 9 scleroglucan adalah b - 1 , 3
glukan , dengan sesekali poin b - 1 , 6 cabang , yang dihasilkan oleh jamur seperti Sclerotium
glucanicum . Ini menunjukkan pseudoplasticity dan digunakan dalam cat , tinta dan lumpur pengeboran .
Beberapa polisakarida pembentuk gel lainnya , menunjukkan karakteristik baru , telah diisolasi dari
berbagai mikroorganisme . Mereka termasuk polisakarida yang gel dalam hubungan dengan monovalen
atau divalen kation , seperti Enterobacter XM6 gel , beijeran dari Azotobacter beijerinckia , polimer dari
mutan Rhizobium meliloti dan heteropolymer S - 53 dari Klebsiella pneumoniae . Modifikasi polisakarida
mikroba , untuk mengubah fungsi mereka , mungkin lebih meningkatkan jangkauan mereka aplikasi . Hal
ini dapat dicapai dengan perlakuan kimia dan enzim polisakarida , atau melalui rekayasa genetik dari
organisme produser .
xanthan
Sejauh contoh yang paling sukses secara komersial dari eksopolisakarida mikroba adalah gum xanthan ,
yang diproduksi oleh spesies Xanthomonas , misalnya X. campestris , X. carotae , X. malvacearum dan X.
phaseoli . Bakteri ini kecil , motil , aerobik batang Gram - negatif yang menghasilkan pigmen kuning .
Banyak bakteri patogen , termasuk X. campestris , spesies yang digunakan untuk produksi komersial
xanthan , yang menyebabkan penyakit kembang kol , kubis dan rutabagas . Banyak karya asli pada
xanthan dilakukan di US Department of Agriculture Utara Regional Research Laboratory di akhir 1950-an
dan produksi komersial dimulai pada tahun 1961 oleh Kelco . Persetujuan untuk penggunaan makanan
diberikan oleh FDA pada tahun 1969 dan polisakarida sekarang memiliki Status GRAS . Di Uni Eropa ,
xanthan diklasifikasikan sebagai pengental E415 . Xanthan adalah berat molekul heliks heteropolymer
tinggi 1,0-2,0 ¥ 10 6 Da , terdiri dari dglucose ,d - mannose , d - glukuronat asam ( dalam rasio molar 2 : 2
: 1 , masing-masing) . d - glukosa unit b - 1 , 4linked dan membentuk tulang punggung dari molekul ,
yang mirip dengan selulosa . Cabang-cabang polimer secara teratur sebagai unit glukosa alternatif dari
tulang punggung yang terkait dengan rantai samping trisaccharide , yang terdiri dari ad- mannose , bd -
glukuronat asam dan ad - mannose di terminal lain posisi (Gambar 10.13 ) . Namun, mungkin ada variasi
dalam substituen rantai samping ini , yang dapat mempengaruhi berbagai properti dari polimer .
Piruvat dapat hadir pada unit mannose terminal dan internal mannose mungkin O - asetat . Xanthans
komersial memiliki derajat substitusi dari 30-40 % untuk piruvat dan 60-70 % untuk asetat . Perbedaan
tergantung pada strain X. campestris digunakan untuk komposisi media pertumbuhan productionand .
Gusi dengan rantai samping disingkat , dibentuk oleh mutan dari X. campestris , pameran sifat fisik
sangat berbeda dari yang diproduksi oleh wild type bakteri . Beragam aplikasi industri didasarkan pada
kemampuan xanthan larut dalam air panas atau dingin dan menghasilkan viskositas tinggi , bahkan pada
konsentrasi serendah 0,05 % ( b / v ) . Solusi xanthan memiliki viskositas yang lebih tinggi
dari gusi lain pada konsentrasi yang sama . Pada konsentrasi polimer dari 1 % ( b / v ) dalam 1 % ( b / v )
larutan kalium klorida , nilai viskositas untuk xanthan , guar gum , karboksimetil selulosa dan alginat
adalah 11300 , 4000 , 410 dan 210 MPa s , masing-masing . Karakteristik kunci tambahan termasuk:
penembusan solusi xanthan , kompatibilitas dengan asam, basa dan garam ;
stabilitas pada suhu kamar , dan pseudoplastik rheologi perilaku , yaitu solusi xanthan kembali viskositas
setelah pencukuran . Xanthan juga berinteraksi secara sinergis dengan polimer lain . Sebagai contoh, ia
dapat membentuk gel termoreversibel dalam kombinasi dengan galactomannans atau glucomannans ,
sedangkan komponen tidak akan gel saja . Sekitar 60 % dari xanthan yang dihasilkan digunakan dalam
aplikasi non - makanan . Ini termasuk penggunaan sebagai stabilisator untuk emulsi cat , pembawa
pupuk dan herbisida , pengental untuk pewarna tekstil , pelumas pengeboran dan untuk pemulihan
tersier dalam industri minyak , dan di lapisan tanah liat untuk kertas berkualitas tinggi . Xanthan juga
membantu aliran pasta , misalnya memfasilitasi aliran pasta gigi dari kontainer , tetapi pulih viskositas
setelah penghapusan gaya geser .
Aplikasi makanan melibatkan peran sebagai pengental , perekat , pengikat dalam film dan coating , agen
pengemulsi dan penstabil ( Tabel 10.5 ) . Xanthan juga dapat membantu pelepasan rasa cepat dan
menyediakan baik ' dimulut ' karakteristik . Saat ini , xanthan memiliki hampir seperempat dari pasar
Amerika untuk pengental makanan . Namun, meluasnya penggunaan xanthan agak terbatas karena
biaya yang relatif tinggi sebesar US $ 20-25/kg , bila dibandingkan dengan pati atau polimer sintetis .
Namun demikian , harganya mirip dengan gusi lainnya dengan fungsionalitas yang sebanding .
XANTHAN PRODUKSI
Sekitar 20 000 ton xanthan yang diproduksi setiap tahun . Produksi dipengaruhi oleh beberapa faktor ,
seperti jenis reaktor yang digunakan , modus operasi , komposisi media dan kondisi operasional .
oksigen supply , biasanya 1 volume udara per volume reaktor per menit ( vvm ) , sangat penting , tapi
pemeliharaannya tidak langsung. Sebagai xanthan disintesis selama fermentasi , viskositas meningkat
menengah , yang menghambat pencampuran dan menyebabkan kecepatan transfer oksigen berkurang .
Akibatnya , desain fermentor , kecepatan pengadukan dan laju aliran udara adalah kunci faktor . Sistem
fermentasi fed -batch yang banyak digunakan , tetapi xanthan juga dapat diproduksi dalam proses yang
terus menerus , sering di bawah pembatasan nitrogen dengan tingkat pengenceran 0,025-0,05 / jam .
Hal ini menawarkan keuntungan dari hasil yang tinggi dan biaya operasi yang lebih rendah .
Standardisasi kondisi fisiologis juga menghasilkan produk yang lebih seragam . Namun, operasi terus-
menerus dapat menderita dari aerasi dan kontaminasi mikroba masalah . X. campestris dapat
memanfaatkan beberapa sumber karbon , termasuk pati , hidrolisat pati , sirup jagung , sirup gula ,
glukosa dan sukrosa . Substrat dapat diterima dan lebih murah lainnya adalah whey , hidrolisat sereal
gandum dan tepung jagung giling kering . Karakteristik xanthan yang dihasilkan , terutama berat molekul
dan sifat reologi , dipengaruhi oleh komposisi substrat yang digunakan . Awalnya, bakteri yang tumbuh
dalam medium propagasi kaya untuk membangun inokulum dalam fermentor pilotscale .
Budaya ini kemudian digunakan untuk menyuntik fermentor skala industri mekanis gelisah kapasitas 50-
200 m . Media produksi normal mengandung :
1 sumber karbon , umumnya d - glukosa , sukrosa , pati atau dihidrolisis pati pada 30-40 g / L ;
2 sumber nitrogen : kasein atau hidrolisat kedelai , garam amonium , pepton , jagung minuman keras
curam , ragi extractor urea .
Hasil panen produk terbaik tercapai dengan karbon : nitrogen rasio sekitar 10 : 1 , 3 MgCl dan garam
jejak lainnya; and4 K22HPO sebagai penyangga .
Dalam modus makan - batch, fermentasi biasanya dipertahankan pada 28-30 ° C dan pH 7,0 , jika pH
tersebut dibiarkan jatuh penurunan produksi karet dengan cepat . Bakteri mulai memproduksi xanthan
selama fase eksponensial dengan harga dalam kaitannya dengan tingkat pertumbuhan dan produksi
berlanjut ke fase diam . fermentasi ini biasanya diselesaikan dalam waktu 3 hari . Sebuah konsentrasi
akhir 25 g / L adalah minimum biasanya diperlukan untuk proses untuk menjadi layak secara ekonomi ,
tetapi kebanyakan fermentasi industri mencapai hingga 50 g / L. Pada akhir fermentasi , kaldu
dipanaskan sampai 100-110 ° C selama 10 menit untuk membunuh bakteri dan meningkatkan sifat
reologi xanthan tersebut . Hal ini diikuti oleh serangkaian langkah pemurnian yang didefinisikan oleh
penggunaan akhir dari polimer (Gambar 10.14 ) . Untuk beberapa aplikasi perlu untuk mengangkat sel-
sel dengan filtrasi atau sentrifugasi . Xanthan tersebut kemudian diendapkan dengan metanol , atau
isopropanol ( terutama ketika mempersiapkan produk food grade ) , dan kemudian dipisahkan dengan
sentrifugasi .
Lebih dari 50 % dari biaya produksi yang dikeluarkan oleh langkah-langkah pengolahan hilir dan itu
sangat penting bahwa pelarut pulih . Produk ini dikeringkan , drum atau semprot-kering , digiling ,
disaring dan akhirnya dikemas sebagai bubuk butiran terdispersi .
Bioemulsans
Bioemulsans adalah protein amphipathic dan polisakarida yang memiliki kedua sifat hidrofilik dan
hidrofobik dalam molekul yang sama . Senyawa-senyawa tersebut mampu menstabilkan minyak dalam
air emulsi . mereka adalah exopolymers dihasilkan oleh berbagai mikroorganisme , menjelang akhir fase
pertumbuhan mereka . Namun, peran mereka dalam vivo belum sepenuhnya dijelaskan . Contohnya
termasuk RAG - 1 emulsan diproduksi oleh oildegrading yang bakteri Acinetobacter calcoaceticus.This
bioemulsan , tidak seperti kebanyakan orang lain , mengandung asam lemak rantai panjang hidrofobik
kovalen terkait dengan anionik heteropolisakarida .
Bioemulsans memiliki aplikasi potensial di banyak industri , termasuk pembuatan makanan , cat , tekstil ,
kosmetik dan farmasi . Sebuah bioemulsan polisakarida dari Candida utilis , ragi food grade , memiliki
janji yang jelas untuk peran dalam pembuatan makanan. Polimer ini memiliki beberapa keunggulan
dibandingkan berat pengemulsi sintetis molekul rendah saat ini digunakan dalam industri , karena
mereka membentuk emulsi yang sangat stabil dan biodegradable , tetapi relatif mahal . Namun
demikian , diperkirakan bahwa mereka akan menjadi semakin digunakan sebagai proses perbaikan dan
ketegangan menyebabkan hasil yang lebih besar yang jauh harus menurunkan biaya produksi mereka .
top related